Các đốm đen trong cầu vồng xà phòng

Các đốm đen trong cầu vồng xà phòng

Jacob Geguzin
"Khoa học và Đời sống" №10, 2017

Bất cứ khi nào họ nhớ lại bong bóng xà phòng, họ luôn nói về màu sắc của họ hoặc chính xác hơn về màu sắc của họ hoặc chính xác hơn về màu sắc của họ. Đây là S. Ya, Marshak trong những bài thơ của ông rất vui mừng với màu của bong bóng:

Đốt như đuôi con công,
Màu gì nó không có!
Lilac, đỏ, xanh dương,
Xanh lục, màu vàng.

Và thêm một chút nữa:

Đèn trong mở
Chơi một quả bóng sáng.
Trong đó biển biến thành màu xanh,
Ngọn lửa đang cháy trong đó.

Với sự thích thú của Marshak, có lẽ, mỗi người chúng ta có thể thêm vào của chính mình, trừ khi được thể hiện không bằng thơ ca, mà bằng văn xuôi.

Lý do cho sự xuất hiện của bong bóng màu sắc là gì?

Ban đầu, rất ngắn gọn về lịch sử của vấn đề. Vật lý của thế kỷ XVIII đã cho thế kỷ XIX những ý tưởng mâu thuẫn kế thừa về bản chất của ánh sáng. Những ý tưởng của Newton về ánh sáng "cơ thể" – dòng chảy của các hạt giả thuyết – các corpuscles – hoa hồng. Newton tin rằng, rơi vào võng mạc của mắt, các hạt kích thích cảm giác của ánh sáng: nhỏ corpuscles tạo ra ấn tượng của màu tím, và corpuscles nhiều hơn – đỏ. Những khái niệm này, giải thích một số các mô hình truyền ánh sáng, để lại mà không có bất kỳ lời giải thích nhiều hiện tượng, trong đó có sự can thiệp của ánh sáng.

Ý tưởng về bản chất sóng của ánh sáng tăng lên Grimaldi, Hooke và Huygens. Nhà vật lý người Ý Francesco Grimaldi, người trẻ tuổi nhất của Newton, đã so sánh sự lan truyền ánh sáng với sự lan truyền sóng trên mặt nước.

Chúng ta nhớ đến sự biến đổi giữa thế kỷ 18 và 19 một cách chính xác bởi vì một trong những nhà vật lý vĩ đại nhất, Thomas Jung, sống vào thời điểm đó, người dựa trên nghiên cứu của ông về những ý tưởng sóng về ánh sáng, giải thích, đặc biệt, mọi loại can thiệp. Và thuật ngữ "can nhiễu" tự giới thiệu Jung với khoa học lần đầu tiên.

Ông là một người có tài năng vô song nhiều mặt và một vòng tròn rộng lớn các lợi ích sáng tạo. Nhưng có lẽ những thành tựu quan trọng nhất của ông có liên quan đến sự phát triển các ý tưởng về bản chất sóng của ánh sáng và đặc biệt là về bản chất của hiện tượng nhiễu, về màu sắc của màng mỏng. Nhà vật lý người Pháp Domenic Arago đã viết về Thomas Jung: "Khám phá có giá trị nhất của Tiến sĩ Jung, người được mệnh danh là bất tử mãi mãi, được lấy cảm hứng từ chủ đề, nó có vẻ, rất không đáng kể: trở thành đồ chơi của những chuyển động tinh tế nhất của không khí. "

Các vết bẩn màu trên màng xà phòng. Ảnh: Klanneke / en.depositphotos.com

Trả tiền cho thơ ca, thích thú và lịch sử, chúng ta chuyển sang vật lý, chúng ta hãy nói về "quang học bong bóng". Người đọc biết rằng sự truyền ánh sáng là một quá trình sóng và một sóng đơn sắc lan truyền có một bước sóng nhất định λ0. Nó cũng được biết rằng chùm ánh sáng được phản xạ từ giao diện của hai phương tiện truyền thông, và đi qua ranh giới này, nó khúc xạ. Và nó cũng được biết rằng cái gọi là màu trắng là một hỗn hợp của các tia đơn sắc nhiều màu – từ màu đỏ sang màu tím. Bước sóng của chùm tia đỏ lớn hơn tím. Và cuối cùng, được biết rằng trong quá trình chuyển đổi từ khoảng trống sang chất phim, bước sóng λ0 thay đổi, trở thành bằng λtrong. Độ lớn n = λ0 / λtrong gọi là chiết suất.

Bây giờ trực tiếp ở một góc nào đó tôi trên bề mặt của một độ dày màng mỏng h ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ0. Điều xảy ra là một chùm ánh sáng được phản xạ một phần từ bề mặt của phim, và một phần là khúc xạ ở một góc rsẽ được bao gồm trong khối lượng của nó. Trên bề mặt dưới của bộ phim, điều tương tự sẽ xảy ra: khúc xạ và phản xạ. Tia phản xạ sẽ quay trở lại bề mặt phía trên,sẽ được phản xạ và khúc xạ, và một phần nhỏ của nó sẽ xuất hiện từ bộ phim, nơi nó sẽ gặp một tia sáng của chùm tia chính. Nó sẽ xảy ra vào thời điểm đó Với. Điểm này về cơ bản có lợi cho chúng ta.

Tại thời điểm Với có hai tia, sinh ra từ cùng một nguồn, nhưng đã đi qua những con đường khác nhau. Về những tia như vậy họ nói "mạch lạc". Đặc điểm riêng biệt của chúng là sự khác biệt pha của dao động của chúng vẫn không thay đổi. Bản chất của sự tương tác của các tia tại điểm C được xác định bởi sự khác biệt của những con đường mà họ đã đi trước khi đến thời điểm này. Sự khác biệt đường dẫn này được gọi là sai số đường quang ∆. Từ một phép tính và định nghĩa rất đơn giản n = tội lỗi tôi / tội lỗi r nó sau đó

∆ = 2hn cos r.

Chúng tôi đến với thành tích quan trọng nhất của Thomas Jung. Ông đã thu hút sự chú ý đến thực tế rằng nếu điều kiện ∆ = kλ0 / 2 (k – số nguyên) có thể có hai hiệu ứng khác nhau đáng kể: nếu k – một số chẵn, những con sóng sẽ tăng cường lẫn nhau, và nếu lẻ – yếu hơn, chính xác hơn, chúng sẽ dập tắt lẫn nhau.

Sức mạnh của ý tưởng chính của cơ chế giao thoa Jung là nổi bật, điều này tự nhiên giải thích sự thật thực nghiệm đáng ngạc nhiên: ánh sáng, sáng tác với ánh sáng,tạo ra bóng tối! Với người đọc khác, có vẻ như trong kết quả thu được điều gì đó không thuận lợi, vì sự xuất hiện của bóng tối có nghĩa là sự biến mất của năng lượng, và điều này không nên xảy ra. Trong thực tế, nó không có nghĩa là, vì năng lượng không biến mất trong quá trình can thiệp, nó được phân phối lại, tích lũy nơi hai dầm này củng cố lẫn nhau.

Dựa trên công thức cho ∆, chúng ta có thể hiểu rất nhiều về cái mà chúng ta gọi là “quang học bong bóng”. Trong công thức cho một giá trị đã cho n gắn với nhau bước sóng ánh sáng λ0độ dày màng h và góc rvà do đó, góc tới của chùm tia trên phim tôi. Giả sử một chùm ánh sáng trắng rơi trên bề mặt bong bóng được tạo thành bởi một màng có độ dày không đổi và chùm tia đáp ứng các phần khác nhau của bề mặt bong bóng ở các góc khác nhau. Điều này có nghĩa là các điều kiện theo đó tia phản xạ được khuếch đại, sẽ nhận được các tia với các bước sóng khác nhau và các phần khác nhau của bong bóng sẽ phát sáng với các màu khác nhau của cầu vồng: tím, đỏ, xanh dương, lục, vàng. Điều này có thể xảy ra vì một lý do khác: các phần khác nhau của màng bong bóng thay đổi độ dày của chúng theo thời gian (hiện tại nó đang thay đổi h), và đó là lý do tại sao "biển biến thành màu xanh trong đó, sau đó lửa cháy trong đó".Nếu bạn nhìn vào bong bóng xà phòng, bạn có thể thấy rõ dòng chảy chất lỏng, thay đổi màu sắc của nó.

Theo sau vô số người tiền nhiệm, và chúng tôi có thể đưa kinh nghiệm về sự can thiệp vào các màng xà phòng trong điều kiện gần với những bộ phận có các phần khác nhau của bong bóng phim. Thực tế là trong một bong bóng xà phòng luôn luôn có các khu vực trong đó dưới ảnh hưởng của trọng lực chất lỏng di chuyển xuống dưới, và do đó, độ dày của bộ phim thay đổi, và thay đổi màu của nó với nó.

Kinh nghiệm này. Phim phẳng trên khung được sắp xếp theo chiều dọc. Theo thời gian, nó có hình dạng của một nêm: mỏng hơn ở phía trên, dày hơn ở phía dưới. Màu sắc của nó là dải, nhiều màu, thay đổi theo thời gian. Nó dường như trôi nổi với dòng chảy chất lỏng.

Để kết thúc câu chuyện về quang học của một bong bóng xà phòng, nó là cần thiết để nói về sọc đen và điểm trong màu của một bong bóng. Chúng đặc biệt có thể nhìn thấy rõ ràng khi bong bóng chỉ còn một vài phút để sống.

Đề án giải thích sự xuất hiện của các đốm đen trong màu màng mỏng

Chúng ta hãy cố gắng hiểu nguyên nhân vật lý của sự xuất hiện của các đốm đen, nhớ lại rằng khi thảo luận về sự khác biệt đường quang trong một màng mỏng, chúng ta giữ im lặng về một chi tiết trong sự tương tác của ánh sáng với bộ phim. Chi tiết này không phải là rất đáng kể khi bộ phim là dày (h ≥ λ0), và không cho phép tự bỏ bê khi màng mỏngh << λ0). Thực tế là, khi nó quay ra, sự phản xạ của chùm tia từ ranh giới của bộ phim không khí và phim-không khí xảy ra theo cách mà sự khác biệt về đường quang thay đổi đột ngột bởi một nửa bước sóng. Trong phần tương ứng của quang học lý thuyết, trường hợp này được chứng minh một cách nghiêm ngặt về mặt toán học. Tuy nhiên, có những lập luận rất đơn giản của nhà vật lí người Anh George Stokes, giải thích rõ ràng hiện tượng này. Chúng tôi đưa ra lý luận của anh ấy. Nếu hướng truyền của chùm phản xạ từ ranh giới phim không khí (Bd), và chùm khúc xạ trong nó (Mặt trời), để vẽ, chúng phải tạo thành một chùm (VA), bằng cường độ và hướng đối diện với chùm chính (AB). Tuyên bố này là đúng, nó chỉ đơn giản là phản ánh luật bảo toàn năng lượng. Tia chuyển đổi NEDBnói chung, chúng có thể tạo thành một tia (BE). Tuy nhiên, anh ta vắng mặt, đó là một thực tế thử nghiệm. Do đó, trong việc tạo ra các tia NEDB đóng góp cho các dạng tia, bằng nhau về cường độ, nhưng được bù tương đối với nhau bằng một nửa bước sóng và do đó làm nguội lẫn nhau.Nếu chúng ta thêm vào ở trên, một trong những tia này có kinh nghiệm phản xạ từ ranh giới phim không khí, và cái kia từ ranh giới không khí phim, thì nó trở nên rõ ràng rằng một bước nhảy bổ sung xảy ra: ∆ = λ0 / 2 khi phản ánh từ ranh giới giữa không khí và phim.

Bây giờ chúng ta quay trở lại những đốm đen và sọc. Nếu độ dày của màng quá nhỏ đến mức sai số đường quang, được tính toán mà không tính đến sự mất sóng nửa khi phản xạ từ ranh giới phim, nhỏ so với bước sóng, thì nhiễu sẽ chỉ được xác định bởi thực tế là các tia được dịch chuyển bằng một nửa bước sóng, tức là sẽ dập tắt lẫn nhau. Và điều này có nghĩa là có một bộ phim màu đen.

Tất cả các logic của câu chuyện về những đốm đen trên một bong bóng xà phòng có thể được bật và khẳng định những điều sau đây. Màu đen của những bộ phim rất mỏng là một thực tế! Do đó, khi hai tia được phản xạ từ ranh giới phim không khí và không khí phim giữa chúng, một sự khác biệt đường quang bổ sung bằng một nửa bước sóng sẽ xảy ra. Đây không phải là một con đường từ logic đến thử nghiệm, nhưng từ thí nghiệm đến logic. Cả hai cách đều hợp pháp và bổ sung.

Chúng tôi đã làm quen với những ý tưởng mà ngày nay trông gần như hiển nhiên, và vào đầu thế kỷ 19, trong thời của Thomas Jung, là một sự mặc khải đáng ngạc nhiên.Xét cho cùng, chỉ để suy nghĩ: ánh sáng, sáng tác với ánh sáng, thối rữa bóng tối!

Một trích đoạn từ cuốn sách: Geguzin Ya E. Bubbles. – Dolgoprudny: ID "Trí tuệ", 2014.


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: